close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование процесса производства карбида кремния путем изменения организации подвода теплоты

код для вставкиСкачать
2
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования
Большая часть современных печей сопротивления по производству
карбида
кремния
характеризуется
значительными
масштабами
энергопотребления
и
низкой
энергетической
эффективностью.
Теоретический расход электроэнергии на единицу продукции составляет 3,9
кВт∙ч/кг, а практический – 7,2…8,7 кВт∙ч/кг. Значительное различие имеется
и в расходе электроэнергии за один цикл работы печи. Он составляет от 25 до
65 тыс. кВт∙ч. Для достижения большей энергетической эффективности
необходима разработка моделей производства карбида кремния (SiC).
Существующие математические модели описывают только температурный
режим, не уделяя достаточного внимания увеличению массового выхода
продукта и энергоэффективности производства. До настоящего времени нет
полной систематизированной информации по совершенствованию процесса
образования карбида кремния путём введения нескольких кернов в печь, а
также прогнозу массового выхода конечного продукта. Таким образом,
существует необходимость исследования данных мероприятий с целью выбора
более совершенных режимов работы печей сопротивления с точки зрения
энергетической эффективности.
Повышение эффективности процесса производства SiC может привести к
снижению удельных расходов электроэнергии, повышению производительности
технологического процесса и, следовательно, удешевлению производства, что
окажет положительное влияние на данное производство, а также другие
отрасли, использующие карбид кремния.
Целью работы является разработка и обоснование мер по сокращению
энергетических затрат на производство карбида кремния путём изменения
организации подвода теплоты и подготовки сырья в электрической печи
сопротивления.
Задачи исследования
1. Усовершенствование модели производства карбида кремния путём
учёта осадки материала и конденсации влаги, переносимой в процессе
фильтрации через связанные поры шихты.
2. Разработка модели расчёта массового выхода карбида кремния в ходе
процесса производства на основании температурного поля в электрических
печах сопротивления.
3. Проведение численных экспериментов для проверки адекватности
созданных математических моделей.
4. Разработка различных вариантов организации подвода теплоты в печи
сопротивления.
5. Расчёт массового выхода готового продукта для каждого варианта
загрузки и выбор наилучшего варианта.
6. Определение энергетических показателей для наиболее
перспективных вариантов производства с точки зрения минимального
потребления энергоресурсов и максимального массового выхода карбида
кремния.
4
Научная новизна
1. Усовершенствована модель производства карбида кремния, которая
позволяет впервые проводить учет осадки материала и конденсации влаги,
переносимой в процессе фильтрации через связанные поры шихты.
2. Разработана математическая модель, определяющая массовый выход
карбида кремния в процессе его производства по температурному полю в печи.
3. Показано, что применение многокерновой организации подвода
теплоты позволит увеличить массовый выход карбида кремния на 15-20%
при сохранении подводимой к печи мощности.
4. Впервые исследовано влияние осадки материала, влажности и
пористости шихты на массовый выход карбида кремния.
Практическая ценность
1. Разработанная математическая модель позволит отказаться от
большого числа трудоёмких, энерго- и материалоёмких натурных испытаний,
связанных с определением наиболее эффективного способа подвода теплоты.
2. Предложен к практическому применению многокерновый способ
нагрева шихты, позволяющий увеличить массовый выход карбида кремния
на 15-20%. Подана заявка на изобретение «Способ нагрева шихты в
высокотемпературной печи» №2016108307 от 10.03.2016.
3. На основе созданной математической модели расчёта температурных
полей в процессе производства карбида кремния может быть создана
автоматизированная система управления.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным
применением расчётных соотношений, основанных на фундаментальных
физических законах, хорошим согласованием результатов расчётов по
предложенным моделям с опытными данными, полученными автором, а
также с опытными данными из литературных источников.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Усовершенствованная модель производства карбида кремния, которая
позволяет проводить учёт осадки материала и конденсации влаги, переносимой
в процессе фильтрации через связанные поры шихты.
2. Модель расчёта массового выхода карбида кремния в ходе процесса
производства на основании температурного поля в электрических печах
сопротивления.
3. Рекомендации по совершенствованию процесса производства карбида
кремния и результаты, получаемые при их внедрении.
4. Результаты расчёта массового выхода карбида кремния и
энергоемкости процесса для наиболее перспективных вариантов организации
производственного процесса.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы изложены на
международных и всероссийских конференциях: 13, 14, 15, 16-й
Межвузовской научно-практической конференции молодых учёных и
студентов, г. Волжский, 2007-2010 гг.; 2, 3-й Всероссийской научнопрактической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-
5
энергетическая безопасность промышленных городов», г. Волжский, 2008,
2010
гг.;
Межрегиональной
научно-практической
конференции
«Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающих
технологий» г. Волжский, 2009 г.; ХХХ Российской школе, посвящённой 65летию Победы, г. Миасс, 2010 г.; Международной научно-технической
конференции (XVI Бенардосовские чтения), г. Иваново, 2011 г.; 7-й
Международной школе-семинаре молодых учёных и специалистов
«Энергосбережение: теория и практика», г. Москва, 2014 г.; 21, 22-й
Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2015-2016 гг.
Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы
изложены в шестнадцати опубликованных работах, в том числе в трёх
публикациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. Материалы и результаты диссертационного
исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Личный вклад
автора для достижения полученных результатов заключается в:
а) усовершенствовании модели производства карбида кремния путём
учёта осадки материала и конденсации влаги, переносимой в процессе
фильтрации через связанные поры шихты;
б) разработке модели расчёта массового выхода карбида кремния;
в) разработке способа многокерновой организации подвода теплоты;
г) проведении численных экспериментов и исследовании влияния
различных факторов на массовый выход карбида кремния;
д) обработке и анализе данных экспериментальных и численных
исследований.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх
глав, заключения и списка литературы, состоящего из 102 наименований.
Общий объём диссертации составляет 127 страниц, включая рисунки, таблицы.
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Национальный
исследовательский университет «МЭИ».
ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность совершенствования процесса
производства карбида кремния. Сформулирована цель работы, показаны
научная новизна и практическая ценность. Приведены основные положения,
которые выносятся на защиту.
В первой главе приведён обзор современного состояния исследований
по совершенствованию температурных режимов печей при производстве
карбида кремния. Приведены основные результаты численных и
экспериментальных исследований в области получения карбида кремния.
Рассмотрены различные виды печей, существующие математические модели
технологических процессов, способы совершенствования и их результаты.
На основе проведённого исследования сделан вывод о том, что
вопрос о совершенствовании производства карбида кремния в настоящее
6
время является недостаточно изученным. По результатам обзора
литературных источников сделаны выводы и сформулированы задачи,
которые необходимо решить в диссертационной работе.
Во второй главе представлена математическая модель производства
карбида кремния. В работе усовершенствована и использована для
проведения численных экспериментов модель, представленная в диссертации
Закожурниковой Г.С. Помимо процессов сушки, фильтрации и химических
превращений, представленных в уравнении теплопроводности (1), модель
позволяет учесть процессы осадки шихты и конденсации влаги при
прохождении водяных паров через шихту. Данная модель учитывает свойства
различных материалов, входящих в состав шихты. Модель позволяет
производить расчёт температурных полей при различном количестве кернов,
а также различной геометрической конфигурации кернов.

Ф1 = − + ,эл + ,хим − ,суш + ,ф ,
(1)

c (1
где Ф1 = ρ1с (1 − ε)(1 + ϑ)−1 c1с + (1 + ϑ)−1 [ρ1,0
− ε0 ) − ρ1c (1 − ε)]cρ,газ +
ρв
ϑ
(1 − ε)
⁄(1 + ϑ) ϑcв + 1+ϑ [ρв,0 (1 − ε0 ) − ρв (1 − ε)]cρ,пар + ρ2 εcρ,2 ,
(2)
Т – температура; τ – время; –div q = λ grad T; λ – коэффициент
теплопроводности,
qv,эл – объёмное тепловыделение при прохождении электрического
тока в керне;
qv,хим – объёмное выделение или поглощение теплоты совокупности
химических (эндо- и экзотермических) реакций;
qv,суш – объёмное поглощение теплоты при сушке влажного твердого
материала;
qv,ф – объёмное выделение или поглощение теплоты как результат
переноса теплоты фильтрационными потоками;
ρ – плотность, ε – пористость, ϑ – доля несвязанных между собой
микропор, с – удельная теплоёмкость, индекс «1» обозначает твёрдую
увлажнённую среду, «2» – газообразную среду, «с» – сухое вещество, «0» –
начальный момент времени, «в» – воду, «пар» – водяной пар, «газ» – газовую
компоненту, появляющуюся в результате химических реакций.
Модель была усовершенствована таким образом, чтобы учесть осадку
шихты и конденсацию паров в слое шихты.
Модель осадки шихты
При производстве карбида кремния происходит уплотнение материала
и постепенная осадка шихты в реакционную зону, которая приводит к
изменению температурного поля и влияет на массовый выход продукта.
Процесс осадки шихты сопровождается:
– одновременным смятием пористой засыпки по вертикали
реакционной зоны;
7
– переносом массы;
– переносом теплоты;
– перемещением керна.
Данный процесс можно представить как процесс, наложенный на
тепломассообмен, описывающий производство карбида кремния без учёта
механического воздействия на элементы пористой среды. При осадке шихты
происходит приток пористой среды известного состава в реакционную
(расчетную) зону печи. Фильтрационные потоки газовой составляющей не
прерываются.
Основные допущения модели осадки шихты
1.
Расчетная модель – двухмерная. Объёмные характеристики
принимаются на единицу длины печи.
2.
Приток пористой среды в реакционную (расчетную) зону печи
происходит только по вертикали (по оси ординат) сверху вниз.
3.
Приток внешней пористой среды как функция времени и
координаты оси абсцисс известен, в частности вид этой функции может
соответствовать данным промышленных экспериментов.
4.
Плотности твердых компонент, входящих в твердую
составляющую шихты, в процессе осадки не меняются.
5.
Перемещения вертикальных слоёв шихты с характерным
поперечным размером, равным принятому размеру расчетной ячейки в
численном расчёте, независимы; теплота, связанная с притоком массы, в
процессе деформации слоя реализуется только в этом слое.
При расчёте осадки шихты необходимо учесть изменение пористости.
Приращение величины пористости ε в любой фиксированной точке с
координатами X0, Y0 за время dτ можно представить как
ε
ε
dε= ( )фх dτ + ( )ос dτ,
(3)
τ
ε
τ
где ( )фх
характеризует
изменение пористости вследствие физикоτ
химических процессов (индекс «фх»): изменение плотности
твердой
составляющей с температурой и изменение массы твердых компонент при
химических реакциях с образованием летучих (газообразных) продуктов;
ε
( )oc
характеризует изменение пористости вследствие осадки шихты
τ
(индекс «oc»).
∂ε
Составляющая ( )фх рассчитывается согласно общей модели процесса
∂τ
производства карбида кремния (подробно рассмотрена в работе
Закожурниковой Г.С.).
∂ε
Составляющую ( )oc определим следующим соотношением:
∂τ
∂ε
( )ос =
∂τ
ε(1−ε0 ) ∂h0
( )oc .
h∗
∫ εdy ∂τ
0
(4)
8
∂h
Здесь ( 0)oc есть изменение высоты слоя шихты над расчётной
∂τ
областью во времени, вызванное осадкой шихты; h* – высота расчётной
области.
Изменение количества теплоты в любой точке реакционной зоны при
осадке шихты можно учесть путем введения дополнительного объемного
источника (стока) теплоты qv,ос . Градиент температуры по высоте расчётной
зоны θ =
∂T
∂y
и пористость материала ε оказывают наибольшее влияние на
теплоту, выделяемую или поглощаемую при осадке шихты.
Определим qv,ос согласно зависимости:
qv,ос =−
θ
Rq
∂ε
ρ1 C1 T(h*)( )oc ,
(5)
∂τ
где Rq – отношение среднеинтегрального значения произведения θ и ε к
произведению среднеинтегральных значений данных параметров по высоте
расчётной области, T(h*) – температура на границе расчётной области и
насыпки.
Расчет осадки керна. В процессе производства SiC при изменении
пористости шихты одновременно происходит осадка керна. Изменение его
положения можно рассчитать, если принять, что это изменение
пропорционально высоте слоя шихты. Координаты верхней и нижней границ
керна hв и hн могут быть определены по следующим зависимостям:
h
∂h
1
1−ε0
∂h
( н)oc = ̅ ∫0 н,о εdy
( 0)oc
∂τ
h∗ε
1−ε(hн,о ) ∂τ
(6)
hв,о
∂hв
1
1−ε0
∂h0
( )oc = ̅ ∫0 εdy
( )oc
∂τ
h∗ε
(
или
(
∂hн
∂τ
∂hв
)oc =
1−ε(hв,о )
h
∫0 н,о εdy
∂τ
1 ∂ε
( )ос
1−ε(hн,о ) ε ∂τ
(7)
h
∫0 в,о εdy
1 ∂ε
) =
( )ос,
∂τ oc 1−ε(hв,о ) ε ∂τ
)
где ε̅ – среднее значение пористости слоя шихты.
Примем, что высота шихты над расчётной зоной в момент начала процесса
осадки ℎ математически описывается формулой (8):
4ℎ
0
4ℎ
0
ℎ = − 
 2 +  ,
(8)
 2

где x – горизонтальная координата; Lx – длина расчётной области; hmax0 –
высота шихты над расчётной зоной в момент начала процесса осадки.
С учетом линейной аппроксимации высоты слоя шихты от времени и
уравнения (8) получим зависимость координаты y от времени τ (9):
y=
4 ℎ 0 2 4 ℎ 0
 +

2
ℎ0 − (−
τ − τн.0
)
∙τ+
4 ℎ 0 2 4 ℎ 0
 +

2
(−
) ∙ τ − ℎ0 ∙ τн.0
τ −τн.0
, (9)
где τн.о – время начала осадки; τmax – время окончания осадки; h0 – высота
шихты над расчётной зоной в момент окончания осадки.
Зная функциональную зависимость высоты слоя шихты над расчётной
областью от времени (рис. 1) можно рассчитать изменение геометрического
положения керна во времени, следовательно, более точно определить
9
распределение температуры в шихте. Это в свою очередь позволит
уточнить величину массового выхода продуктов производства SiC, а также
предложить более эффективные режимы работы печи сопротивления.
Рисунок 1 – График зависимости высоты слоя шихты над расчётной областью от времени
Модель расчёта конденсации
Теплота в реакционной зоне распространяется от источника теплоты к
периферии, следовательно, слои шихты на разном расстоянии от керна имеют
разную температуру. Шихта в начале процесса увлажнена, а значит, при
повышении её температуры начинается сушка материала. В начальный
момент времени все микропоры заполнены воздухом. Во время сушки
насыщенный водяной пар начинает вытеснять воздух из микропор, заполняя
их. Далее пар перемещается во всё менее нагретые зоны (с температурой
меньше
температуры
насыщения),
следовательно,
он
должен
сконденсироваться на холодной поверхности. Следует отметить, что
температура в ходе данного процесса изменяется медленно, значит, перегрев
пара не происходит. Для того чтобы учесть этот процесс в уравнение
теплопроводности предлагается ввести новый член qv,k, который зависит от
теплоты сушки, теплоты, переносимой фильтрационными потоками и
разности температур насыщения и текущей температуры в ячейке.
В зоне конденсации шихты объемом к объёмные источники теплоты
, = 
̃к влияют на общее выделение теплоты в этой зоне (здесь r – скрытая
теплота фазового перехода для воды; 
̃к – объемная плотность потока
конденсирующегося пара). Теплота, переносимая влагой в процессе сушки
влажного материала шихты и фильтрации парогазовой составляющей через
взаимосвязанные поры шихты к ,
к =∫ , dV.

(10)
Здесь V – объём.
Теплота, поглощаемая в процессе сушки равна сумме теплоты,
теряемой из объема технологического материала в процессе фильтрации, и
теплоты, расходуемой на процесс конденсации. Объёмное выделение
10
теплоты в процессе конденсации может быть выражено также через
коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на поверхности пор,
который пропорционален ΔТn (–1<n<0), где ΔT – разность между
температурой насыщения и текущей температурой в расчётной ячейке, n –
показатель степени, полученный при обобщении эмпирических соотношений
при конденсации на поверхностях с учётом движения пара. Тогда можно
получить уравнение (11):
̃
 =

̃ − 
∫ 


∫

∆Т1+

∆Т1+ ,
(11)
где QF – поток теплоты, обусловленный выносом влаги из печи, 
̃ –
интенсивность объёмной генерации пара в процессе сушки, Vc – объём
области сушки.
По определению 
̃:


̃=


1+
(1 − ε0 )
ρв
τ
.
(12)
Воспользуемся уравнением связи влажности шихты xв и плотности
воды ρв :
в =

ρс1
ρв .
(13)
с
Приняв во внимание, что в данном случае ρ1с = ρ1,0
, имеем
и
1−
ρв
τ
=
ρс1,0 в

τ

0 с

̃ =
ρ1,0 в .
(14)
1+
τ
Тогда получаем зависимость, позволяющую определить влажность
материала для любой фиксированной точки области конденсации:
1+ 1
∗ ()
в,0
= в,о +
̃ τ,
(15)
с ∫ 
1−0 ρ1,0
где 
̃ определено соотношением (14), а индекс «*» относится к
изменяющейся во времени «начальной», то есть предшествовавшей моменту
начала сушки рассматриваемого элементарного объёма шихты, влажности.
Процесс переноса влаги сопровождает технологию производства SiC и
является его неотъемлемой частью, влияющей на процесс образования
карбида кремния, в частности на формирование температурных полей.
Модель массового выхода продукта
Модель массового выхода продукта позволяет определить массовый
выход карбида кремния при различных режимах работы печи, а именно: при
различных режимах подвода электроэнергии, составах шихты, количестве
кернов, геометрических параметрах кернов.
Основные допущения, сделанные при выводе модели выхода конечного
продукта, состоят в том, что влияние температуры на производство SiC
описывается экспоненциальной зависимостью по форме, аналогичной
11
соотношению Аррениуса с постоянными коэффициентами; реакционная зона
может быть представлена эквивалентным цилиндром радиусом rэкв, а процесс
образования карбида кремния осесимметричен относительно центра керна;
изменение температуры в процессе карбидообразования известно не менее
чем в трёх точках вне керна для конкретного типа печи из эксперимента или
расчёта по верифицированной программе.
Рассмотрена элементарная ячейка реакционной зоны объёмом V,
расположенная на произвольном расстоянии r от оси эквивалентного
цилиндра, имитирующего рабочее пространство печи. Удельное
производство карбида кремния G в этой ячейке может быть выражено
согласно сделанному выше допущению как

̂
G =  ∫0  − τ =  ∫ откл  − τ,
(16)
гр
1
где a, b – константы; u = ; T – температура в данной ячейке, τгр – время, за

которое температура в ячейке достигает температуры начала химической
1
реакции Tгр, соответствующее uгр =
; τоткл – время отключения
энергоподвода, соответствующее uоткл =
гр
1
откл
; Tоткл – температура в момент
отключения (Tгр ≤ Tоткл ≤ Tmax),
τ
,
если τ < τоткл ,
τ̂откл = {τ ,
если τ > τоткл ,
откл
1
где τmax соответствует umax =
, Tmax – температура завершения нагрева слоя

материала печи (Tmax>Tгр).
Константа а уравнения (16) определяется экспериментально для
каждой печи, b = Ea/Rун, где Ea – энергия активации, Rун – универсальная
газовая постоянная.
На основании обработки экспериментальных данных примем для τ >τ гр
аппроксимацию
u = u∞ + (uгр – u∞)  −1(τ − τгр ) ,
(17)
1
где b1 = b1{R}; u∞ = ∞ соответствует установившемуся (стационарному)

значению температуры ( ∞ ) при τ → ∞; R =

экв
.
В результате интегрирования, используя уравнение (16), получаем
∞

G = −  − {Ei[–(̂откл −u∞)b] – Ei[ – (uгр–u∞)b]},
(18)
1
где Ei(X) – интегральная показательная функция.
На основании обработки экспериментальных данных представим τгр и
b1{R} как
τгр = 2∗ 2
,
(19)
{

1 = 02

где b0, c2* – константы, определённые в модели сушки материала.
Количество произведённого карбида кремния Ф может быть определено
интегрированием (18) по объёму печи Vэкв:
12
Ф =∫  = 2  экв 2   −
∞

0
экв

2
∫ {[−(−1 )] − [−(−2 )]}3 , (20)
1
где H – рабочая (или расчётная) длина печи;
Y1 = b (̂откл –u∞); Y2 = b (uгр–u∞);
0, еслиоткл ≤  ,
0, еслиоткл ≤  ,
R1 = {
R = {откл , если < откл ≤ 1 ,
 , еслиоткл >  . 2
1, если откл > 1.
 , если τоткл ≥ τmax {},
0
̂откл = {
∞
∞ − 2(τоткл − τгр )
 + (гр −  )
, если τгр < τоткл < τmax ,
Rоткл = √
то
с∗2
Поскольку на практике Rk<Rоткл ≤1,
R1 = Rk; R2 = Rоткл.
Тогда
Ф =2экв
или
τоткл
1

2
0
Ф= экв

0

∞
 − ∫ откл{[(−1 )] − [−(−2 )]}3 ,

∞

 − {4 ∫ откл[−(−12 )]3  + [−(−11 )](( )4 −
4

−  ) − [−(−2 )]((откл )4 −  4 )},
где Y11 = b (umax–u∞), Y12 = b (uгр–u∞)
Rmax= {
τ
−0 ( откл
− с∗2 )
2
(21)
, Y2 = b(uгр–u∞),
1
2
∞
гр − 
1
∗
с2 + ln
0 max − u∞
τоткл
}.
С целью проверки моделей на ОАО «Волжский абразивный завод»
проведён эксперимент по определению температурного поля в различных
точках печи (рис. 2). Сопоставлены температурные кривые, полученные в
ходе эксперимента, с результатами численного моделирования. Также
проведено сравнение с экспериментами Закожурниковой Г.С. (рис. 3) и с
результатами ее расчетов.
Рисунок
2
–
Экспериментальные
и
расчётные
значения
зависимости температур от
времени за один цикл работы
печи. Цифры 1 – 8
соответствуют
номерам
термопар
13
Рисунок 3 – Сопоставление результатов численного моделирования экспериментальным
исследованиям Закожурниковой Г.С. по определению температур в различных точках
печи за одну кампанию. Цифры 1 – 6 соответствуют номерам термопар
Сравнения показали хорошее соответствие с экспериментальными
данными, поэтому разработанные модели можно признать адекватными и
использовать для численных исследований.
В третьей главе
проведен анализ баланса теплоты печи по
производству карбида кремния (рис.4). Предложены несколько направлений
совершенствования производства карбида кремния, а именно: изменение
конфигурации керна, изменение количества кернов при постоянном
энергоподводе, изменение начального влагосодержания и изменение
пористости шихты. Проведены численные исследования процесса
карбидообразования в различных точках печи в течении всего времени
технологического процесса.
Рисунок 4 – Диаграмма баланса
теплоты. Генерация теплоты: 1
за счет электрической энергии, 2
– осадки шихты; поглощение
теплоты: 3 – при утечке из
объема
шихты,
4
–
аккумулировании;
5
–
суммарное значение теплоты
процессов осадки материала,
утечки из объёма шихты и
аккумулирования.
14
При использовании керна с той же массой, но цилиндрической формы
получено более рациональное распределение поля температур в шихте.
Прогрев шихты во всех направлениях оказался равномерным в то время как
прогрев при прямоугольной форме нагревателя более интенсивен сверху и
снизу керна. Рассмотрены варианты с двумя, тремя и четырьмя кернами (при
одинаковой суммарной массе), а также с их различным расположением в
печи. По распределению температур в поперечном сечении печи
установлено, что предложенные способы подвода теплоты при производстве
карбида кремния эффективнее существующего аналога. Температурные поля
от нескольких источников теплоты пересекаются, следовательно, процесс
карбидообразования в области между кернами будет более интенсивным
(рис.5). Это значит, что увеличивается область с температурой, в которой
проходит процесс карбидообразования, а значит и выход карбида кремния.
Наиболее эффективным признан способ, при котором керны располагаются в
углах равнобедренного треугольника с верхним основанием.
Рисунок 5 – Распределение температур в поперечном сечении печи
при наличии нескольких нагревателей
Проведено исследование таких свойств материалов как начальная
пористость и влажность. Получен график изменения влажности от времени
для различных точек печи (рис.6).
15
Рисунок 6 – Изменение влажности в различных точках печи (1 – 3 см от керна, 2 – 15 см
от керна, 3 – 25 см от керна, 4 – 40 см от керна) в течение процесса карбидообразования
В объекте с центральным обогревом, каковым является печь
сопротивления, в любой момент времени пространственный градиент
температуры, а, следовательно, и плотности тепловых потоков, тем меньше,
чем больше расстояние от оси (центра) греющего элемента. При этом темп
роста температуры расчётной ячейки во времени, характеризующий общий
приток тепла в неё, уменьшается к периферии реакционной зоны.
Естественно, если интегрального притока теплоты недостаточно для
реализации фазового перехода «вода – пар», то такая ячейка выступает как
теплопроводящая зона с неизменной влажностью. Сушка начинается лишь в
момент прогрева ячеек, прилегающих к расчётной со стороны греющей зоны,
с обеспечением необходимого для сушки притока тепла. В итоге, в процессе
разогрева шихты наблюдается задержка интенсивной сушки периферийной
зоны шихты, что подтверждается поведением кривых на рис.6.
Получены графики изменения температуры для различных точек печи
от времени при различной начальной пористости. Увеличение пористости
ведёт к резкому росту температур, а уменьшение – к снижению температур в
соответствующих точках. Однако, общий эффект от изменения пористости
является нелинейным, так как необходимо учесть, что диапазон температур
карбидообразования изменяется от 1600 до 2500°С, следовательно, перегрев
материалов шихты так же плох, как и недогрев.
В четвёртой главе на основании температурных полей, определенных
в главе 3, проведен расчет и количественный анализ влияния различных
факторов на массовый выход карбида кремния и энергоемкость процесса, а
именно: пористости шихты, начального влагосодержания, количества
источников теплоты и их формы, результаты которого представлены на (рис.
7-10).
При изменении начальной пористости шихты массовый выход сначала
возрастает до максимального значения при ε0 = 0,61, а затем убывает.
Данное значение пористости попадает в физически реализуемый диапазон ε0 ,
16
следовательно, возможно добиться увеличения массового выхода SiC путём
изменения состава компонент шихты.
Рисунок 7 – Зависимость массового выхода
карбида кремния от начальной пористости
Рисунок 8 – Зависимость массового выхода
карбида кремния от начальной влажности
Физически реализуемый диапазон величин на рис. 7 и 8 указан сплошной линией.
Рисунок 9 – Зависимость массового выхода
карбида кремния от количества кернов
прямоугольного сечения и их взаимного
расположения
Рисунок 10 – Зависимость массового
выхода карбида кремния от количества
кернов круглого сечения и их взаимного
расположения
График изменения массового выхода от начальной влажности
показывает уменьшение массового выхода карбида кремния с увеличением
начальной влажности шихты. Таким образом, можно сделать вывод о том, что
выгоднее уменьшать влажность шихты, но полностью исключить влагу из
процесса нельзя, так как это снизит электропроводность материала в худшую
сторону. Расчёты показали, что можно уменьшить значение влажности с
используемого сейчас на практике 0,1 до 0,05. Посчитан массовый выход SiC
для разного количества источников теплоты в шихте и проведено сравнение
с экспериментом Закожурниковой Г. С. для одного керна прямоугольного
сечения. Установлено, что увеличение числа кернов в рабочем пространстве
печи ведёт к увеличению массы полученного карборунда. Но при наличии
17
более трёх кернов массовый выход начинает снижаться из-за худшей
газопроводимости.
Наиболее
эффективным
оказался
вариант
с
использованием трёх кернов, расположенных в углах равнобедренного
треугольника с верхним основанием. Изменение формы поперечного сечения
источника теплоты с прямоугольной на круглую приводит к увеличению
массового выхода карборунда.
Рассчитаны КПД печи и расходы электроэнергии на единицу
продукции для усовершенствованных вариантов производства (табл. 1).
Таблица 1–Результаты расчётов энергетических параметров процесса карбидообразования
Направление Стандарт- Изменение Использова- Использова- Использование
совершенст- ная кампа- начальной ние 2 кернов ние 3 кернов
3 кернов
вования
ния с 1
пористости прямоуголь- прямоугольпрямоугольпроизводства
керном
до 0,61
ного сечения ного сечения
ного сечения
(расположе(расположе(расположение см. рис.
ние см. рис. ние см. рис. 5в)
5а)
5б)
КПД
0,131
0,250
0,200
0,210
0,200
Энергоемкость,
5,3
4,0
5,1
4,9
5,0
кВт∙ч / кг
Направление
совершенствования
производства
КПД
Энергоемкость,
кВт∙ч / кг
Использование 4 кернов
прямоугольного сечения (расположение
см. рис. 5г)
0,19
Использование 2 кернов круглого сечения
(расположение см. рис.
5а)
0,21
Использование 3 кернов
круглого
сечения
(расположение см. рис.
5б)
0,22
Использование 3 кернов
круглого
сечения
(расположение см. рис.
5в)
0,21
Использование
4 кернов
круглого
сечения
(расположение см. рис. 5г)
5,2
4,8
4,7
4,9
4,9
0,21
Из табл.1 следует, что КПД печи можно увеличить с 0,131 до 0,250, а
расход электроэнергии на единицу продукции уменьшить с 5,3 до 4 кВт∙ч/кг.
Все предложенные варианты производства карбида кремния оказались
эффективнее существующего способа производства.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Усовершенствована модель производства карбида кремния путём
учёта осадки материала и конденсации влаги, переносимой в процессе
фильтрации через связанные поры шихты.
2. Разработана модель расчёта массового выхода карбида кремния в ходе
процесса производства на основании температурного поля в электрических
печах сопротивления.
3. Проведён эксперимент в ОАО «Волжский абразивный завод» по
определению температурного поля в различных точках печи. Проведены
численные эксперименты для проверки адекватности созданных
математических моделей. Адекватность предложенных математических
18
моделей подтверждена хорошим соответствием результатов настоящих
расчетов с полученными экспериментальными данными, а также с данными
экспериментов Закожурниковой Г.С.
4. Разработаны различные варианты организации подвода теплоты в печи
сопротивления. Предложены варианты производства при наличии двух, трёх
и четырёх кернов. Для трёх кернов разработаны два варианта
геометрического расположения: в углах равнобедренного треугольника с
верхним основанием и в углах равнобедренного треугольника с нижним
основанием. При производстве карбида кремния при наличии четырёх
кернов, нагреватели расположены в углах прямоугольника. Наиболее
эффективным признан вариант с тремя кернами, расположенными в углах
равнобедренного треугольника с верхним основанием.
5.
Предложены
несколько
направлений
совершенствования
производства карбида кремния, а именно: путём изменения способа подвода
теплоты при изменении конфигурации керна, а также путём подготовки
сырья, заключающегося в изменении начального влагосодержания и
изменения пористости шихты. Проведены численные исследования процесса
карбидообразования в различных точках печи в течении всего времени
технологического процесса. Сделан вывод о большей эффективности
производства карбида кремния при использовании керна цилиндрической
формы. В результате расчётов определено рекомендуемое начальное
значение пористости шихты, которое составляет 0,61. По графикам
изменения температуры от начальной влажности сделан вывод о
целесообразности уменьшения влажности, но не об отказе от увлажнения
шихты, так как это приведёт к ухудшению её электропроводности.
6. Рассчитан массовый выход готового продукта для каждого варианта
организации подвода теплоты в печи. На основании данных расчётов
определены энергетические показатели для наиболее перспективных
вариантов производства с точки зрения минимального потребления
энергоресурсов и максимального массового выхода карбида кремния.
Рассчитаны КПД печи и расходы электроэнергии на единицу продукции для
усовершенствованных вариантов производства. Показано, что КПД печи
можно увеличить с 0,131 до 0,25, а расход электроэнергии на единицу
продукции уменьшить с 5,3 до 4 кВт∙ч / кг в зависимости от выбора
рекомендуемых мероприятий.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В
СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1.
Закожурников, С. С. Оптимизация процесса плавки карбида
кремния с целью повышения её производительности и снижения
расхода электроэнергии / В.С. Кузеванов, С.С. Закожурников, А.Б.
Гаряев // Промышленная теплоэнергетика. – 2015. – №6. – С. 29-33.
2.
Закожурников,
С.
С.
Математическая
модель
теплофизических процессов производства карбида кремния / Г.С.
19
Староверова, С.С. Закожурников // Наука и технологии. Том 1. –
Краткие сообщения ХХХ Российской школы, посвященной 65 – летию
Победы (15-17 июня 2010 года, г. Миасс). – Екатеринбург: УрО РАН,
2010. – С. 142-144.
3.
Закожурников, С. С. Модель тепломассопереноса в печах при
производстве карбида кремния / В.С. Кузеванов, Г.С. Закожурникова,
С.С. Закожурников // Альтернативная энергетика и экология. – 2015. –
№7. – С. 75-81.
4.
Закожурников, С. С. Принципы составления алгоритма
исследования температурных полей электротермического процесса / Г.С.
Закожурникова, С.С. Закожурников, В.В. Староверов // Тринадцатая
межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и
студентов. г. Волжский, май-июнь 2007.: Тез. докл. В 5 т. – Волжский:
Филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. – Т.5. – С. 5-7.
5.
Закожурников, С. С. Экспериментальное исследование
температурных полей различных зон печи при синтезе карбида кремния /
С.С. Закожурников, В.В. Ягов, А.И. Грошев, Г.С. Староверова // Ресурсоэнергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных
городов:
Материалы
второй
всероссийской
научно-практической
конференции. Сборник научных статей. – Волжский: Филиал ГОУ ВПО
«МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2008. – С. 102-105.
6.
Закожурников, С. С. Исследование температурных полей в керне
при производстве карбида кремния / Г.С. Староверова, А.И. Грошев, С.С.
Закожурников // Четырнадцатая межвузовская научно-практическая
конференция молодых учёных и студентов. г. Волжский, 26-30 мая 2008.:
Тез. докл. В 4 т. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском,
2008. – Т.2. – С. 3-4.
7.
Закожурников, С. С. Анализ влияния теплофизических
параметров на процесс плавки карбида кремния / С.С. Закожурников, А.И.
Грошев, Г.С. Староверова // Пятнадцатая межвузовская научно-практическая
конференция молодых ученых и студентов. г. Волжский, 25-29 мая 2009.:
Тез. докл. В 4 т. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском,
2009. – Т.1. – С. 6-7.
8.
Закожурников, С. С. Основа методологии интенсивного
энергосбережения в печах для производства карборунда / Г.С. Староверова,
С.С. Закожурников, Г.Ф. Терентьев // Моделирование и создание объектов
энергоресурсосберегающих
технологий:
Межрегиональная
научно
практическая конференция, г. Волжский, 22-25 сентября 2009.: Сборник
научных статей. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском,
2009. – С. 213-217.
9.
Закожурников, С. С. Моделирование теплофизических процессов
плавки карбида кремния / Г.С. Староверова, С.С. Закожурников, А.И. Грошев
// Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающих
технологий: Межрегиональная научно практическая конференция, г.
20
Волжский, 22-25 сентября 2009.: Сборник научных статей. – Волжский:
Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2009. – С. 242-245.
10. Закожурников, С. С. Определение теплофизических свойств
материалов в процессе плавки карбида кремния / Г.С. Староверова, С.С.
Закожурников, А.И. Грошев // Шестнадцатая межвузовская научнопрактическая конференция молодых ученых и студентов. г. Волжский, 24-28
мая 2010.: Тез. докл. В 2 т. – Волжский: Филиал «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском,
2010. – Т.2. – С. 7.
11. Закожурников, С. С. Влияние пористости на теплопроводность в
процессе плавки карбида кремния / Г.С. Закожурникова, С.С. Закожурников,
Г.П. Закожурникова // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая
безопасность промышленных городов: Третья Всероссийская научно –
практическая конференция, г. Волжский, 28-30 сентября 2010.: Сборник
материалов конференции. – Волжский: Филиал «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском,
2010. – С. 77-78.
12. Закожурников, С. С. К вопросу оптимизации температурных
режимов при плавке карбида кремния / С.С. Закожурников, А.И. Грошев,
Г.С. Закожурникова // Международная научно-техническая конференция
«Состояние
и
перспективы
развития
электротехнологии»
(ХVI
Бернардосовские чтения) 1-3 июня 2011.: Сборник научных трудов. –
Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический
университет имени В.И. Ленина», 2011. – С. 186-188.
13. Закожурников, С. С. Оценка потенциала энергосбережения в
технологическом процессе плавки карбида кремния. / С.С. Закожурников,
А.Б. Гаряев // Седьмая международная школа-семинар молодых учёных и
специалистов «Энергосбережение: теория и практика» – Том 1. – Москва –
2014. – С. 88-91.
14. Закожурников, С. С. Модель расчёта выхода продукта плавильной
печи по производству карбида кремния при изменении параметров печи. /
С.С. Закожурников, А.Б. Гаряев // Двадцать первая международная научнотехническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,
электротехника и энергетика». Тезисы докладов. – Том 3. – Москва – 2015. –
С. 136.
15. Закожурников, С. С. Повышение энергетической эффективности
процесса плавки карбида кремния. / С.С. Закожурников, А.Б. Гаряев //
Двадцать вторая международная научно-техническая конференция студентов
и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тезисы
докладов. – Том 2. – Москва – 2016. – С. 284.
16. Закожурников, С. С. Оптимизация технологического процесса
производства карбида кремния. / Закожурников С.С., Закожурникова Г.С. //
«Молодой учёный» №9 (113). – Часть II – Казань – 2016. – С. 147-149.
Подписано в печать________________ Зак.____ Тир.____ П.л._____
Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул., д. 13.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
31
Размер файла
765 Кб
Теги
теплоты, карбид, путем, подводя, процесс, производства, организации, изменения, совершенствование, кремния
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа